Век с электроном

А. В. Кузнецов

Введение

30 апреля 1997 года, исполнилось 100 лет со дня доклада, сделанного в Британском Королевском институте в Лондоне директором Кавендишской лаборатории (она находится в Кембридже) Джозефом Томсоном (Thomson). Тот день принято считать датой объявления об открытии электрона одном из самых значительных открытий в истории физики. Действительно, это было открытие первой из элементарных частиц, это было открытие "атома" отрицательного электричества, это было рождением электроники - важнейшей отрасли науки и техники ХХ века.

Как всякое крупное достижение физики, открытие электрона имело долгую предысторию и многочисленные последствия. Оно было победой (правда, неокончательной) атомизма, и в этом смысле о нем можно говорить как о первом прямом экспериментальном подтверждении идей, высказанных Левкиппом (V в. до н. э.) и Демокритом (V - IV в.в. до н. э.) еще в Древней Греции, идей, преданных потом забвению на протяжении двух тысяч лет и вновь введенных в научный обиход в XVII в. Пьером Гассенди (1592 - 1655г) по-прежнему на умозрительном уровне. В XIX в. появляются косвенные экспериментальные свидетельства в пользу атомизма. Это закон кратных отношений, установленный в 1803г. Джоном Дальтоном (Dalton, 1766 - 1844); это броуновское движение, открытое в 1827 г. Робертом Броуном (Brown, 1773 - 1858); это законы электролиза, найденные на опыте Майклом Фарадеем (Faraday, 1791 - 1867) в 1833 - 34 годах (кстати, Фарадей в течение 54 лет работал как раз в королевском институте).

Напомним читателю, который, возможно, не является физиком или химиком, о сущности этих законов и явлений.

Закон кратных отношений

В законе кратных отношений имеется в виду отношение масс простых веществ (элементов), способных в результате химической реакции образовать соединение. Например, 2 г водорода могут соединиться с 16 г кислорода и образовать 18 г воды. Те же два грамма водорода при других условиях могут соединиться и с 32 г кислорода и образовать перекись водорода. Если же мы пропустим искровой разряд через находящуюся в замкнутом сосуде смесь 2 г водорода и 20 г кислорода (и вызовем этим химическое соединение водорода и кислорода), то после этого мы обнаружим в сосуде 18 г воды и 4 г кислорода, не соединившегося с водородом. Вообще отношение масс m1 и m2, образующих соединения элементов, всегда кратно некоторому характерному для данных элементов отношению целых чисел A1 и А2, независимо от способа синтеза и значений m1 и m2:

здесь р = 1,2, ....

Скажем, при образовании поваренной соли отношение масс mNa натрия и mCl хлора равно 23/35 ( р = 1, ANa=23, ACl = 35).

Дальтон предложил такое объяснение закону кратных отношений. Элементы состоят из мельчайших, далее неделимых частичек - атомов. Атомы данного элемента одинаковы, и при химических реакциях вступают в соединение с одним, двумя, тремя и т.д. атомами других элементов, образуя молекулы. Отношение A1/A2 определяет отношение масс атомов двух элементов.

Открывший броуновское движение Р. Брoун был по специальности ботаником. Он наблюдал в микроскоп взвесь цветочной пыльцы в воде и заметил, что отдельные частички пыльцы находятся в безостановочном хаотическом движении. Тщательно исследовав это явление, Р. Брoун установил все его основные закономерности, но не смог указать его причину. Только полвека спустя ряд физиков высказали мнение (оно полностью подтвердилось позднее), что броуновское движение обусловлено непрерывными случайными столкновениями броуновской частицы с молекулами жидкости, в которой частица взвешена.

Под электролизом, как известно, понимается совокупность явлений, сопровождающих прохождение электрического тока через проводники, подвергающиеся вследствие этого химическому разложению. Также проводники называют электролитами. Металлическая пластина, по которой ток входит в электролит, называется анодом. Пластина, по которой ток уходит из электролита, называется катодом. Терминология эта была введена самим М. Фарадеем. Он же установил, что масса m выделившегося на электроде вещества прямо пропорциональна прошедшему через электролит в ходе электролиза заряду Q, относительной атомной массе вещества A и обратно пропорционально валентности этого вещества n:

Здесь С - коэффициент пропорциональности, один и тот же для всех веществ. Очевидно, (2) можно переписать в форме